可見光波段渦旋光的產生技術分析和展望

為慶祝河北工業大學校慶120周年，《紅外與激光工程》聯合河北工業大學共同出版“河北工業大學校慶?？?，特邀請齊瑤瑤副教授撰寫“可見光波段全固態渦旋激光腔內產生技術研究進展” 文章，綜述了激光腔內直接產生可見光波段渦旋光的產生技術和可見光波段渦旋固態激光的腔內產生技術，并對其未來發展進行分析和展望。

導讀

渦旋光由于攜帶軌道角動量信息，在天文學、光學操控、顯微成像、傳感、量子科學和光通信等領域有著廣泛的應用前景。特別地，針對可見光波段渦旋激光，在水下通信領域，渦旋光束可以顯著提高通信容量。此外，在可見激光高分辨成像領域，渦旋光束可大幅度提高成像分辨率。目前，可見光波段渦旋光主要通過無源法和有源法產生。相比腔外轉換的無源法，有源法在轉換效率、光束質量 (模式純度) 以及功率提升方面均具有顯著優勢。本文重點闡述激光腔內直接產生可見光波段渦旋光的產生技術，包括離軸泵浦法、環形泵浦法、腔內球差法等技術手段。具體綜述可見光波段渦旋固態激光的腔內產生技術，分別從基于非線性頻率變換的可見光渦旋激光產生技術、基于分立元器件的LD直接泵浦可見光全固態渦旋激光產生技術、基于光纖介質的LD直接泵浦可見光全固態渦旋激光產生技術方面進行介紹，并分析和展望未來技術發展趨勢。

研究背景

渦旋光束因攜帶軌道角動量信息，并具有螺旋相位等特性，在宏觀量子糾纏測量、角度遙感、精確空間測量以及手性等離激元納米噴流激光打印等領域，被視為理想光源。近年來，渦旋光束的產生與調控給激光技術注入了新的活力，并帶動了新型激光產業的發展。隨著可見光波段激光光源的快速發展，可見光波段渦旋激光備受矚目，并廣泛應用于激光打印、量子技術、激光高分辨成像和水下激光通信領域。在激光高分辨成像領域，渦旋光束可顯著提升激光成像分辨率和濾噪效果；水下通信領域受益于藍綠光波段在水下低吸收的特性，傳輸距離得以提高，同時，激光光束若攜帶軌道角動量，可進一步擴大通信容量。因此，發展可見光波段渦旋激光產生技術，將帶動可見光通信、激光高分辨成像等應用的快速發展，具有非常重要的科學價值和實際意義。

圖1可見光波段渦旋激光在高分辨成像和水下通信中的應用 通常，可見光波段渦旋光束主要包括拉蓋爾高斯光束、貝塞爾光束、高階橢圓厄米高斯渦旋光束等。產生上述可見光波段渦旋光的方法主要分為腔外轉換法和腔內直接產生法。腔外轉換法通過在激光器外部放置光學元件實現從高斯光束到渦旋光束的轉換，包括模式轉換器、螺旋相位板、全光纖器件、等離子體超表面等。然而，腔外轉換法由于光學元件的引入導致更大的損耗和誤差，因此，常常面臨光轉換效率低、輸出功率降低和光斑質量差等問題。為了克服腔外轉換法的問題，研究人員開始關注腔內直接產生渦旋光的技術，此結構激光器具有更好的光束質量、更高的輸出功率和更低的成本。目前，主要通過控制腔內模式增益與損耗關系來抑制腔內高斯模式振蕩，從而產生不同階次渦旋激光，包括離軸泵浦法、環形泵浦法、腔內球差法、點缺陷鏡等。 為此，文章重點闡述可見光波段全固態渦旋激光腔內產生技術。首先簡要介紹可見光波段渦旋激光的應用背景和研究意義，以及可見光波段渦旋激光的腔內產生方法。接著重點介紹三種關鍵的可見光波段渦旋激光產生技術：基于非線性頻率變換獲得可見光波段的渦旋激光產生技術、基于分立元器件的LD直接泵浦可見光波段全固態渦旋激光產生技術以及基于光纖介質的LD直接泵浦可見光波段全固態渦旋激光產生技術。最后，總結分析當前可見光波段渦旋激光腔內產生技術存在的問題，并對未來的發展趨勢進行展望。

主要內容

近年來，隨著近紅外波段渦旋激光技術的迅速發展，通過非線性頻率變換產生可見光波段的渦旋光技術更為成熟，其輸出功率指標和拓撲荷數更高，腔外通過螺旋相位板和模式轉換器等調制元件產生渦旋光也更加簡單可控，但是激光器整體結構較為復雜，總體轉換效率較低。 隨著高亮度藍光LD的快速發展，LD直接泵浦的可見光全固態激光振蕩輸出成為可能 ，目前用于可見光輸出的激光晶體主要為摻Pr3+晶體、摻Ho3+晶體、摻Dy3+晶體等，其中Pr3+具有多個激光能級，可獲得多種可見光波長的激光輸出，因此摻Pr3+晶體是實現全固態可見渦旋光輸出的重要激光介質?；诜至⒃骷?LD 直接泵浦可見光全固態渦旋激光器具有構造簡單、輸出光場穩定、輸出模式數目多等優點，主要途徑包括離軸泵浦、環形光泵浦、腔內球差法等。近年來，國內外多家研究機構逐漸參與到 LD 直接泵浦的可見光全固態渦旋激光產生的研究工作中，國內單位主要有廈門大學、天津大學、南京理工大學等，國外的主要研究單位包括印度光子科學實驗室、日本千葉大學等。

圖2 LD 直接泵浦的可見光全固態渦旋激光的產生方法 在基于分立元器件的全固態可見渦旋光產生技術方面，目前主要通過直接泵浦可見光晶體并設計特殊諧振腔結構以實現腔內渦旋激光直接輸出。主要采用的方法包括離軸泵浦法、環形泵浦法、球差法等，未來有望通過腔鏡刻蝕點缺陷的方法實現可見渦旋光的輸出。腔內直接輸出渦旋激光憑借著高功率、高光束質量和高穩定性等優勢，成為當前渦旋光產生研究的重點關注方向。然而，可見光波段小的受激發射截面和低增益仍然是可見光波段激光晶體和激光器所面臨的重要挑戰，在渦旋光輸出方面，仍存在輸出渦旋光束階次低和階次不可控、效率低等問題。 針對基于光纖介質的可見渦旋光腔內產生技術，主要研究工作集中于可見光波段脈沖渦旋光纖激光產生技術，國內研究單位主要包括廈門大學、清華大學、北京理工大學、上海大學、天津大學等。主要采用纖芯偏移 (錯位熔接)、引入長周期光纖光柵、手性光纖光柵、或模式選擇耦合器等渦旋光產生手段結合傳統可見光Q調制或鎖模技術來實現，或采用離軸泵浦結合新型可見光波段可飽和吸收體來實現。相較于全固態激光器，光纖渦旋激光器具有結構緊湊、鎖模穩定等優勢，適應性廣泛，能夠滿足集成和便攜應用的需求。然而，光纖渦旋激光器仍需克服光纖模式串擾和輸出功率較低的挑戰。未來的研究將繼續探索新的光纖設計和優化技術，以提高可見光波段光纖渦旋激光器的性能和穩定性，進一步推動其在各個領域的應用。

圖3 光纖激光中渦旋光產生方法示意圖

結論與展望

隨著大數據時代下水下通信、激光高分辨成像等領域對可見光波段渦旋激光提出的高應用需求，開展可見光波段渦旋光腔內產生技術的研究具有重要意義。文中從上述三種技術途徑綜述了可見光波段渦旋激光研究進展?？偟膩碚f，盡管頻率變換是當前實現可見渦旋激光的主要技術途徑，但隨著高亮度藍光LD和可見光波段激光增益介質的快速發展，基于分立元器件的固體和和光纖可見光全固態渦旋光產生技術也逐漸發展為新型激光技術，并在連續波、被動調Q和被動鎖模等運轉方式上均取得了顯著的進步。然而，相比于成熟的近紅外波段渦旋光而言，通過LD直接泵浦的固體/光纖的可見光全固態渦旋激光仍然有一些問題亟待解決，例如在更高輸出功率、更高單脈沖能量、更短脈沖寬度、更高拓撲荷數、更寬波長調諧范圍等方面仍有很多的工作要做。 當前，基于藍光LD直接泵浦的可見光波段全固態連續渦旋激光最高功率水平仍在W量級以下；通過離軸泵浦技術所獲得的可見光波段渦旋激光階次仍然很低且不可控；點缺陷技術目前仍未在可見光波段獲得應用；針對大能量調Q可見光渦旋激光而言，有必要深入研究可飽和吸收體的性能，以獲得更短的脈沖和更高的單脈沖能量；同時針對超快渦旋可見激光而言，需進一步挖掘新型鎖模機制和高調制深度鎖模元件，探索縱模鎖定的同時，研究空間域上高階橫模激發與橫模競爭及復用機制，從而為飛秒超快渦旋可見激光光源研制提供新的思路；在可見光波長拓展方面，藍光LD直接泵浦的可見光全固態激光其中心波長主要集中于紅光、橙光、青光、綠光等分立激光波長，且未完全實現上述波段的渦旋激射，因此可進一步挖掘新的高增益寬帶可見光激光材料或結合拉曼變換等非線性過程以實現全波段可見光的寬調諧運轉?？偠灾?，為了提升可見光波段渦旋激光的輸出性能，未來仍需從半導體激光泵浦源、激光諧振腔調控、激光增益介質、可飽和吸收體、渦旋光調控技術等多方面進行優化、改進和提高，從而支撐可見光波段激光高分辨成像、可見光通信等應用，甚至有望開拓出前所未有的新應用。

作者介紹

齊瑤瑤，河北工業大學副教授，博士生導師，主要從事高功率固體激光技術、光纖激光技術和非線性光學等領域的研究工作。作為負責人主持國家自然科學基金、國家博士后面上基金、河北省自然科學基金面上/青年基金、河北省教育廳基金、軍工橫向項目等多項課題。近年內累計發表SCI論文80余篇，其中以第一作者或通訊作者身份在Materials Today Physics、IEEE JSTQE等學術期刊發表SCI論文20余篇（一篇入選ESI高被引論文），授權專利20余項。擔任Photonics等SCI期刊的專題客座主編。

呂志偉，“長江學者”特聘教授，河北工業大學學術委員會主任，先進激光技術研究中心主任?，F擔任中國光學學會激光專業委員會副主任、中國電子學會工業工程分會副主任、國家自然科學基金委員會評審專家、中國工程教育電子信息與電氣工程類專業認證委員會副主任，國防科技創新團隊帶頭人、教育部創新團隊帶頭人。主要從事高功率固體激光技術、非線性光學和激光光譜技術等領域的科研工作。主持國家重大專項項目、國家重大科技工程項目、國家自然科學基金重點項目和重大儀器專項等科研項目50余項。獲得軍隊科技進步一等獎2項、黑龍江省自然科學獎一等獎1項、航天工業總公司科技進步二等獎1項等科技獎勵。發表學術論文400余篇，授權發明專利30余項。

審核編輯：彭菁